WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]

Повышение прочности прессовых соединений за счет использования явления схватывания при ультразвуковой запрессовке зубков шарошек буровых долот

Автореферат кандидатской диссертации

 

На правах рукописи

 

 

АНКУДИНОВ Дмитрий Викторович

 

ПОВЫШЕНИЕ ПРОЧНОСТИ ПРЕССОВЫХ

СОЕДИНЕНИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЯВЛЕНИЯ СХВАТЫВАНИЯ ПРИ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ЗАПРЕССОВКЕ

ЗУБКОВ ШАРОШЕК БУРОВЫХ ДОЛОТ

 

05.02.08 – Технология машиностроения

 

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

 

 

 

 

Самара – 2012

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный технический университет» на кафедре «Автоматизация производств и управление транспортными системами»

 

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент

БАТИЩЕВА Оксана Михайловна

Официальные оппоненты:

КИСИЛЁВ Евгений Степанович

доктор технических наук, профессор,

профессор кафедры «Технология машиностроения» ФГБОУ ВПО «Ульяновский государственный технический университет»

 

 

ГОЛОВКИН Валерий Викторович

кандидат технических наук, доцент,

доцент кафедры «Инструментальные системы и сервис автомобилей» ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»

Защита состоится 28.06.2012 г. в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.217.02 в ФГБОУ ВПО «СамГТУ» по адресу: г. Самара, ул. Галактионовская, 141, корп. № 6, ауд. 33.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного технического университета по адресу: 443100, г. Самара, ул. Первомайская, 18, корпус № 1.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим направлять по адресу: 443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244, Главный корпус, ученому секретарю диссертационного совета Д 212.217.02; факс: (846)278-44-00.

Автореферат разослан «___» ___________ 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного

совета Д 212.217.02 д.т.н., профессор                                 А.Ф. Денисенко
общая характеристика работы

Актуальность темы. Конкурентоспособность отечественных трехшарошечных буровых долот, применяемых при бурении глубоких скважин в нефтяной, газовой и горнорудной промышленностях, зависит от основных эксплуатационных показателей бурения – механической скорости и проходки на долото. Данные показатели напрямую связаны со стойкостью твердосплавных породоразрушающих зубков и надежностью их закрепления в корпусе шарошки. Это требует принятия дополнительных мер к повышению прочности соединения зубков с шарошкой.

В настоящее время технология изготовления буровых долот предусматривает закрепление зубков в шарошках методом холодной запрессовки. При этом прочность соединения обеспечивается натягом, реализуемым методом селективной сборки, предполагающей разделение деталей на шесть размерных групп. Для группы с минимальным натягом (менее 0,06 мм) характерно выпадение зубков из корпуса шарошки в процессе работы долота. В группе с максимальным натягом (более 0,11 мм) – в теле шарошки на венцах и межвенцевом пространстве вокруг зубка возникают технологические микротрещины, что приводит к снижению проходки, механической скорости бурения, полному разрушению шарошек и аварии на буровой установке.

Перспективным методом повышения прочности прессовых соединений является формирование адгезионных связей между поверхностями твердосплавных зубков и отверстий шарошек за счет использования энергии ультразвуковых колебаний. В связи с этим тема диссертационной работы, посвященная повышению прочности закрепления зубков с шарошкой за счет совершенствования технологии ультразвуковой запрессовки, является актуальной.

Тема диссертационной работы поддерживалась грантами Минобрнауки РФ по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» (проект № 8В/2838, 2010 г.; проект № 8/14287, 2011 г.) и Государственным контрактом № 14.740.11.0984 на поисковые научно-исследовательские работы по программе «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России».

Цель работы: совершенствование технологии ультразвуковой запрессовки твердосплавных зубков в шарошку долота, способствующей повышению прочности соединения за счет использования явления схватывания.

Для достижения указанной цели в работе поставлены следующие основные задачи:

  1. исследовать влияние ультразвуковых колебаний на прочность прессовых соединений;
  2. провести теоретико-экспериментальные исследования влияния режимов ультразвукового воздействия на закономерности изменения площади контакта и адгезионной составляющей коэффициента трения между сопрягаемыми поверхностями (твердый сплав ВК10 и шарошечная сталь 14ХН3МА);
  3. модернизировать технологическое оборудование для реализации явления схватывания при ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков в корпус шарошки долота;
  4. разработать научно-обоснованные рекомендации по ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков в корпус шарошки с использованием явления схватывания.

Объект исследования: технологический процесс ультразвуковой запрессовки твердосплавных зубков в шарошку бурового долота.

Предмет исследований: закономерности влияния ультразвукового воздействия на прочность соединения. 

Методы исследования. Теоретические исследования базировались на основных положениях технологии машиностроения и теории контактного взаимодействия твердых тел. Натурные исследования выполнялись на разработанной и изготовленной автоматизированной установке с использованием стандартных и специальных измерительных средств. Математическая обработка и анализ экспериментальных данных проводились с применением специального и общего программного обеспечения.

Достоверность результатов обусловлена корректностью используемого математического аппарата, применением методов статистической обработки экспериментальных данных и подтверждена результатами опытно-промышленного внедрения в производство новой технологии запрессовки.

Основные положения, выносимые на защиту

  1. Результаты экспериментальных исследований влияния схватывания контактирующих поверхностей при ультразвуковом воздействии на прочность формируемого прессового соединения.
  2. Установленные закономерности роста фактической площади контакта поверхностей зубка и отверстия с увеличением времени наложения ультразвуковых колебаний.
  3. Модель, характеризующая изменения площади мостиков схватывания сопрягаемых поверхностей зубка и отверстия при изменении режимов ультразвукового воздействия.
  4. Разработанная полезная модель устройства для реализации процесса запрессовки твердосплавных зубков в шарошку долота в условиях ультразвукового воздействия (Патент № 107087).
  5. Научно-обоснованные рекомендации по ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков в корпус шарошки с использованием явления схватывания.

Научная новизна работы заключается в следующем:

  1. на основании теоретико-экспериментальных исследований разработана модель, отражающая закономерность роста фактической площади контакта и адгезионной составляющей коэффициента трения сопрягаемых поверхностей зубка и отверстия шарошки при увеличении времени ультразвукового воздействия;
  2. экспериментально установлено повышение прочности прессового соединения за счет формирования в зоне контакта мостиков схватывания; 
  3. разработана модель, характеризующая изменения площади мостиков схватывания сопрягаемых поверхностей зубка и отверстия при изменении режимов ультразвукового воздействия.

Практическая ценность:

  1. разработано устройство (Патент № 107087), предназначенное для ультразвуковой запрессовки зубков в корпус шарошки бурового долота с реализацией явления схватывания между сопрягаемыми поверхностями;
  2. спроектирована и изготовлена автоматизированная установка для исследования процесса ультразвуковой запрессовки и диагностики формируемого соединения;
  3. разработан и внедрён технологический процесс ультразвуковой запрессовки твердосплавных зубков в шарошки буровых долот, обеспечивающий повышение прочности прессового соединения за счет формирования мостиков схватывания сопрягаемых поверхностей;
  4. модернизировано промышленное технологическое оборудование и проведена опытно-промышленная проверка эффективности использования явления схватывания при ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков в корпус шарошки долота.

Реализация результатов. Технологический процесс ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот с использованием схватывания внедрён на ОАО «Уралбурмаш» (Свердловская обл.).

Апробация работы. Основные положения и результаты работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научных конференциях и симпозиумах, в том числе: «Математические модели механики, прочности и надёжности элементов конструкций. Математическое моделирование и краевые задачи» (г. Самара, 2007 г.), «Наука. Технологии. Инновации» (г. Новосибирск, 2008 г.), «Студенческая наука и медицина 21 века: традиции, инновации, приоритеты» (г. Самара, 2010 г.), «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2010 г.), «Компьютерные технологии в науке, практике и образовании» (г. Самара, 2010 г.); «Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики» (г. Тольятти, 2011 г.); «Ашировские чтения» (г. Туапсе, 2011 г.); «Мехатроника и эргатические системы» (г. Дивноморск, 2011 г.); «Надежность и качество – 2011» (г. Пенза, 2011 г.); МИКМУС-2011 (г. Москва, 2011 г.);

Разработанная автоматизированная установка для лабораторных исследований процесса ультразвуковой запрессовки была представлена на девятой международной специализированной выставке-форуме «Промышленный салон – 2010» (г. Самара, 2010 г.).

В полном объёме диссертация заслушана и одобрена на объединенном заседании кафедр «Автоматизация производств и управление транспортными системами», «Технология машиностроения», «Автомобили и станочные комплексы», «Инструментальные системы и сервис автомобилей», «Нанотехнологии в машиностроении».

Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 17 научных публикациях, из них 3 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов докторских и кандидатских диссертаций. Получен Патент РФ № 107087.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов по каждой главе, общих выводов, списка использованной литературы из 163 наименований и 3 приложений.

Общий объем работы 150 страниц машинописного текста, включая 31 рисунок, 14 таблиц.

содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель, представлена научная новизна, практическая ценность и основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу характерных видов износа буровых долот и обзору перспективных технологий повышения прочности прессовых соединений.

Используемые в бурении шарошечные долота в качестве породоразрушающего инструмента содержат твердосплавные зубки, которые запрессовываются своей цилиндрической частью в расположенные на корпусе шарошки отверстия. При недостаточном натяге в процессе работы зубки вылетают из корпуса шарошки, существенно уменьшая производительность бурения. В то же время при избыточном натяге в теле шарошки на венцах и межвенцевом пространстве вокруг зубка возникают микротрещины, которые в процессе эксплуатации развиваются в макротрещины, что приводит к  значительному снижению показателей бурения, а иногда и к полному разрушению шарошек и аварии на буровой установке.

Повышение прочности закрепления зубка в корпусе шарошки является частью общей проблемы повышения прочности прессовых соединений. Анализ литературных источников, изучение патентозащищенных технических решений показал, что часть из них реализуется при выполнении определенных требований к геометрическим или физико-механическим параметрам поверхностей сопряжения, а другие – не обладают высокой производительностью или имеют ограниченную область применения. Известны такие методы повышения прочности прессовых соединений, как введение промежуточного слоя, нагрев деталей и т.д., которые направлены на увеличение площади контакта за счет схватывания контактных поверхностей.

Показано, что одним из перспективных направлений совершенствования традиционных процессов сборки является введение ультразвуковых колебаний (УЗК) в зону контакта поверхностей деталей, когда наряду с основными движениями, предусмотренными технологической схемой сборки, деталям дополнительно сообщаются колебания ультразвуковой частоты.

В создание теоретических основ и практическую реализацию ультразвуковых технологий большой вклад внесли ученые О.В. Абрамов, Б.А. Агранат, В.К. Асташев, В.А. Вероман, В.А. Волосатов, А.И. Исаев, В.Ф. Казанцев, М.Г. Киселев, Ю.И. Китайгородский, В.В. Клубович, А.И. Марков, Б.А. Кравченко, В.Д. Мартынов, Б.Х. Мечетнер, И.И. Муханов, М.С. Нерубай, Ю.И. Холопов, Б.Л. Штриков, а также зарубежные исследователи Ф. Блаха, Д. Грэвелл, П. Лангенекер, Д. Кумабэ, Дж. Фоот и др. В работах этих авторов большое внимание уделяется поиску оптимальных способов приложения ультразвуковых колебаний в зону контакта деталей с целью повышения эффективности сборочных процессов.

В работах А.И. Маркова, А.П. Семенова, Ю.В. Холопова, Р. Эванса и других установлено, что введение в зону трения деталей ультразвуковых колебаний увеличивает температуру в зоне контакта – это, в частности, способствует формированию мостиков схватывания и, как следствие, образованию прочных соединений в результате срастания контактируемых тел. Вместе с тем, в настоящее время не существует технологий образования прессовых соединений, основанных на применении энергии ультразвуковых колебаний с использованием явления схватывания, а также обоснованных методик выбора рациональных режимов ультразвуковой запрессовки.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследований.

Во второй главе выполнено физическое и компьютерное моделирование контактного взаимодействия поверхностей при ультразвуковой запрессовке.

Анализ работ Штрикова Б.Л., Кравченко Б.А., Нерубая М.С. и других показал, что при формировании прессовых соединений деталей типа «вал-втулка» наибольшее снижение сил трения при запрессовке происходит при продольном наложении УЗК на вал. Это обусловлено наличием интервалов времени, в которых направления статической и динамической нагрузок совпадают и в момент превышения ими силы трения они инициируют продольное перемещение запрессовываемой детали.

Согласно молекулярно-механической теории коэффициент трения f представляет собой сумму двух составляющих: деформационной (механической)  и адгезионной (молекулярной) , причем последняя является доминирующей. Молекулярная составляющая трения характеризует затраты энергии на разрушение адгезионных связей, образуемых между трущимися телами на фактических пятнах касания и определяется зависимостью , где  и  – фрикционные константы, характеризующие физико-химическое состояние поверхности,  – давление на фактические площади контакта ,  – твердость наиболее мягкого из контактирующих тел (в данном случае – шарошечная сталь),  – нормальная нагрузка, приложенная на контакт. Учитывая, что акустический контакт подвержен воздействию статической и динамической сил, можно записать , где  – статическая нагрузка, действующая на контакт по нормали к поверхности,  – динамический коэффициент.

В случае ультразвуковой запрессовки деталей с заданными механическими свойствами статическая нагрузка  в основном определяется величиной натяга , а динамический коэффициент – амплитудой ультразвуковых колебаний, максимальные значения которой обеспечиваются созданием резонанса (в системах с автоподстройкой резонанса можно принять =const). Поскольку в акустическом контакте , то действующая нормальная нагрузка  всегда превышает статическую силу , и, следовательно, фактическая площадь контакта (ФПК) при наложении ультразвуковых колебаний будет расти. Этот рост обеспечивается за счет пластической деформации более мягкой поверхности в области внедрения в нее относительно твердых выступов контртела. Известно, что пластическая деформация – кинетический термоактивируемый процесс, протекающий с конечной скоростью. Учитывая малую длительность периода УЗК, можно предположить, что формирование установившегося значения ФПК будет происходить в течение некоторого времени t, определяемого физико-механическими свойствами поверхностей и внешними факторами (нагрузкой и температурой). С учетом вышесказанного можно в общем виде записать выражение для оценки адгезионной составляющей коэффициента трения при наложенных ультразвуковых колебаниях:

,                                               (1)

где  – ФПК как функция величины натяга и времени действия ультразвуковых колебаний.

Выражение (1) позволяет обосновать выбор режимов УЗК, обеспечивающих требуемую прочность прессовых соединений. Однако вид зависимости  априори неизвестен и требует экспериментальных исследований.

В целях изучения особенностей контактного взаимодействия поверхностей при запрессовке твердосплавных зубков в шарошку долота были выполнены эксперименты по физическому моделированию процесса: фактическую площадку контакта моделировали контактом твердосплавного зубка, изготовленного из сплава ВК10, с поверхностью диска, изготовленного из шарошечной стали 14ХНЗМА.

На первом этапе эксперимента к зубку прикладывалась статическая нормальная нагрузка 13 кН, 19 кН, 23 кН, 30 кН и 37 кН; на втором – при тех же условиях к зубку прикладывались дополнительно ультразвуковые колебания с амплитудой 10 мкм и частотой 18 кГц (эти значения были определены априори как рациональные для разработанной с участием автора автоматизированной лабораторной установки). В ходе эксперимента измерялась глубина отпечатка и высота образующегося наплыва и далее с помощью программного обеспечения, разработанного сотрудниками НТЦ «Надежность» СамГТУ, оценивался диаметральный размер лунки. Массив полученных данных позволил рассчитать площадь полной поверхности сферического сегмента и выявить эмпирические зависимости образуемой площади контакта от времени удерживания нагрузки и времени воздействия ультразвуком. Анализ полученных данных показал, что расхождение площадей контакта при наложении УЗК и без использования дополнительной энергии имеет более высокие значения при малых нагрузках (рис. 1). Этот факт позволяет предположить то, что повышение прочности прессового соединения при наложении УЗК будет больше при малых значениях натяга. Анализ зависимостей изменения ФПК от времени t воздействия ультразвуковыми колебаниями показал, что в качестве аппроксимирующей модели возможно использование функции вида

,                                                      (2)

где и – эмпирические параметры регрессионной модели (2).


После линеаризации аппроксимирующей функции и применения стандартных процедур оценки коэффициентов модель была проверена на адекватность. В табл. 1 приведены результаты регрессионного анализа. При соблюдении прочих равных условий модель (2) позволяет для выбранной пары объектов удовлетворительно прогнозировать закономерности образования фактической площади контакта при изменении времени наложения дополнительных ультразвуковых колебаний, а также изменение площади по отношению к процессу запрессовки без ультразвукового воздействия.

Подпись: Таблица 1  Результаты регрессионного анализа  Усилие, кН	    	          13	15,642	3,437	0,062  19	18,346	2,031	0,133  23	32,009	1,886	0,291  30	36,386	2,218	0,342  37	40,887	4,525	1,922  Предсказанный теоретически и выявленный экспериментально рост фактической площади контакта под действием УЗК и связанный с ним эффект увеличения адгезионной составляющей позволяет утверждать, что предлагаемая технология запрессовки с использованием ультразвуковой обработки стыка в течение заданного времени обеспечит возможность повышения прочности закрепления твердосплавного зубка в корпус шарошки бурового долота за счет усиления адгезионного взаимодействия между сопрягаемыми поверхностями.

Вместе с тем, очевидно, что выбор интервала времени, в течение которого на формируемое соединение воздействует ультразвук, не может быть произвольным. Многократное воздействие знакопеременных напряжений в области фактических пятен касания под действием высокочастотных возвратно-поступательных смещений микронеровностей приводит к развитию усталостных процессов с последующим охрупчиванием и выкрашиванием сопрягаемых поверхностей.

Для оценки кинетики протекания усталостных процессов в поверхностных слоях был выполнен эксперимент по определению запасенной энергии пластической деформации, основанный на склерометрической методике, разработанной профессором Д.Г. Громаковским. Склерометрированию подвергались сферические поверхности лунок, образованных под индентором, в качестве которого использовался твердосплавный зубок со сферической головкой. Полученные результаты (рис. 2) свидетельствуют о том, что при ультразвуковом воздействии происходит снижение накопленной энергии пластической деформации  – в среднем на 20 % по сравнению с обычной сборкой. Это, в свою очередь, свидетельствует о пластификации поверхности за счет ускоренной релаксации внутренних напряжений на наклепанных поверхностях.

Экстраполяция экспериментальных данных по росту накопленной энергии разрушения до критической величины, при которой происходит разрушение материала, позволяет прогнозировать максимально возможную длительность приложения ультразвуковых колебаний.

Для уточнения технологических усилий, необходимых при запрессовке твердосплавных зубков с использованием ультразвуковых колебаний в среде имитационного моделирования были исследованы напряжения и деформация после стандартной и ультразвуковой операций запрессовки. При моделировании были учтены свойства материала зубка (ВК10: модуль упругости ; коэффициент Пуассона ) и шарошки (долотная сталь 14ХН3МА: ; коэффициент Пуассона ). Анализ полученных эпюр изолиний напряжений по Мизесу показал, что при запрессовке с применением ультразвуковых колебаний распределение напряжений по всему объему охватываемой детали и поверхности охватывающей детали является более равномерным по сравнению с сопряжением, выполненным без наложения ультразвуковых колебаний. Это свидетельствует о повышении несущей способности цилиндрического соединения. Кроме того, по результатам моделирования установлено, что в результате введения ультразвука при запрессовке твердосплавных зубков в корпус шарошки усилие запрессовки снижается в среднем на (15?18) %, а контактное давление – на 12 %.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям характеристик прессовых соединений твердосплавного зубка с шарошкой, формируемых с применением ультразвукового воздействия.

Для выполнения эксперимента была разработана автоматизированная установка (рис. 3) на базе гидравлического пресса ПГ 6213.01 для запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота с использованием ультразвука, основными элементами которой являлись ультразвуковой генератор, механизм нагружения и контрольно-измерительная аппаратура. Эффективное взаимодействие компонентов сборочного процесса (силового прессового оборудования, ультразвуковой колебательной системы, соединяемых деталей) осуществлялось устройством управления на основе получения в реальном времени оперативной информации – как о ходе технологического процесса, так и о динамических характеристиках колебательной системы, включающей формируемое соединение. В ходе эксперимента в режиме реального времени наблюдались диаграммы процесса запрессовки и распрессовки зубков, что позволило оценить изменение усилий на разных стадиях процесса.

В качестве имитации шарошки использовался плоский диск, изготовленный из стали 14ХН3МА (долотная сталь), прошедший механическую и химико-термическую обработку, аналогичную серийной технологии обработки шарошек буровых долот. Использовались серийные заводские твердосплавные зубки из сплава ВК10, диаметром 7,8 мм. В каждом диске выполнялось по 20 сквозных отверстий, позволявших сначала запрессовать зубки в отверстия сверху вниз, а затем выпрессовывать их снизу вверх. Сочетания зубков и отверстий выбирались на принципах селективной сборки таким образом, чтобы обеспечить натяг (0,06?0,11) мм. 

Подпись: б)При проведении процесса запрессовки УЗК накладывались изначально для снижения трения, а затем – при достижении зубками заданного положения – колебания накладывались с выдержкой по времени без относительного перемещения деталей, что способствовало формированию межмолекулярных связей между поверхностью твердосплавного зубка и поверхностью отверстия шарошки, проявляющихся в виде мостиков схватывания.

С целью определения эффективности разработанного технологического процесса оценивалась прочность сформированного соединения по осевому усилию распрессовки. Распрессовке подвергались соединения, образованные как классическим прессовым методом, так и сформированные с наложением ультразвуковых колебаний с разной продолжительностью воздействия.

Статистическая обработка результатов эксперимента (рис. 4) свидетельствует, что при доверительной вероятности равной 0,95 и относительной погрешности в 4 % усилие распрессовки соединений, образованных с использованием ультразвуковых колебаний и выдержкой по времени больше – в среднем на 17 % (что соответствует в среднем 7 кН) – аналогичного усилия разрушения соединения, сформированного классическим прессовым методом.


Исследования поверхности твердосплавных зубков после распрессовки, проведенные с помощью модернизированного микроскопа МИС-11, показали, что на поверхности зубков, запрессованных с различными выдержками под ультразвуком видны следы переноса (налипания) материала шарошки (рис. 5). При этом увеличение длительности приложения УЗК в интервале до 60 секунд приводит к росту площади, охваченной следами переноса.

Это является прямым свидетельством схватывания поверхностей в зоне прессового соединения под действием УЗК, обусловленного формированием прочных адгезионных связей (мостиков схватывания) на фактических площадках контакта, которые при распрессовке вызывали глубинное вырывание фрагментов менее прочной поверхности (шарошечной стали) и «намазывание» их на более прочную поверхность зубка. На ответных поверхностях отверстий при этом обнаруживаются вырывы металла (рис. 6).

При запрессовке классическим прессовым методом (рис. 5,е) поверхность зубка относительно однородна, однако видны линии скольжения, характеризующие разрыв связи поверхностей в результате распрессовки. При пропускании ультразвука в течение 1 секунды в результате сдвига соприкасающихся неровностей в местах контакта, на поверхности твердосплавного зубка (рис. 5,б) обнаруживается перенос (налипание) металла с поверхности отверстия, свидетельствующий об образовании мостиков схватывания.


Увеличение времени выдержки приложения ультразвуковых колебаний приводит к разрастанию площади мостиков схватывания (рис. 5,в, г, д).

Исследование диаметральной поверхности отверстий на наличие узлов схватывания производилось на специально смонтированной для этой цели оптической системе. Анализ показал, что при воздействии в течение 1 секунды в местах контакта обнаруживаются вырывы металла (рис. 6,б) на поверхности отверстия, свидетельствующие об образовании мостиков схватывания. Увеличение времени выдержки, приводит к возрастанию мостиков схватывания (рис. 6,в, г, д)


На рис. 7 приведены графики, построенные на основании экспериментальных данных и иллюстрирующие изменение величины относительной площади мостиков схватывания в зависимости от времени воздействия ультразвуковых колебаний для соединений с различными натягами.

Анализ представленных зависимостей показывает, что при наложении в процессе запрессовки ультразвуковых колебаний с амплитудой 5 мкм и частотой 18 кГц (рис. 8,а), а так же выдержки по времени без относительного перемещения деталей площадь мостиков схватывания между твердосплавным зубком и отверстием шарошки возрастает от (3?6) % при 1 секунде до максимальных (25?32) % – при 30 секундах (от общей площади контакта); после чего убывает до (20?22) % при 40 секундах и далее практически не изменяется.

При увеличении амплитуды до 15 мкм (рис. 8,б), площадь мостиков схватывания возрастает от (5?8) % при 1 секунде до максимальных (26?30) % при 10 секундах (от общей площади контакта); после чего не превышает 27 % при 20 секундах.

Таким образом, прочностью прессового соединения можно управлять путем изменения амплитуды ультразвуковых колебаний и длительности ультразвукового воздействия.

На основе полученных экспериментальных данных разработана расчетная модель, позволяющая оценить относительную площадь мостиков схватывания при варьировании времени выдержки сформированного прессового соединения под действием ультразвуковых колебаний.

Модель представляет собой полиномом четвертого порядка , задача определения оценок коэффициентов  которого относится к числу оптимизационных.

В качестве критерия близости полиномиальной модели к оценкам, полученным на основе экспериментальных данных, принимается минимум суммарного квадратического отклонения: , где  – значения относительной площади в точках, соответствующих времени выдержки ультразвуковых колебаний ; n – объем исходных данных.

Система ограничений, связывающих искомые коэффициенты модели и исходный массив данных, может быть представлена как система n уравнений, линейных относительно коэффициентов :

.

Эффективным и доступным средством решения оптимизационных задач в такой постановке является модуль Solver Parameters табличного процессора Excel, с помощью которого получены оценки коэффициентов модели

для различных натягов и параметров ультразвуковых колебаний (табл. 2 и 3).

Таблица 2

Коэффициенты модели при использовании ультразвуковых колебаний

с амплитудой 5 мкм и частотой 18 кГц

Натяг,

мм

a0

a1

a2

a3

a4

0,08

3,089

–0,616

0,168

–0,005

4,47·10-5

0,09

1,834

–0,231

0,129

–0,004

3,61·10-5

0,10

3,548

–0,534

0,123

–0,004

2,88·10-5

0,11

3,271

–0,106

0,083

–0,003

2,06·10-5

Таблица 3

Коэффициенты модели при использовании ультразвуковых колебаний

с амплитудой 15 мкм и частотой 18 кГц

Натяг,

мм

а0

а1

а2

а3

а4

0,08

7,917

–7,101

2,271

–0,176

4,15·10-3

0,09

8,021

–6,972

2,197

–0,170

3,98·10-3

0,10

8,760

–6,214

1,943

–0,148

3,43·10-3

0,11

5,189

–3,926

1,552

–0,124

2,93·10-3

Оценка прочности формируемого соединения по необходимому для его разрушения осевому усилию, определенному с помощью разработанной модели, показала удовлетворительную сходимость теоретических оценок с экспериментальными данными.  

Четвертая глава посвящена вопросам практической реализации технологии ультразвуковой запрессовки с применением схватывания.

Основой схемы технологического оборудования явилась запатентованная модель устройства для запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота с оперативной диагностикой качества формируемого соединения по динамическим характеристикам механической колебательной системы (рис. 8).

Увеличение площади контакта по мере запрессовки твердосплавного зубка в корпус шарошки приводит к изменению жесткости и демпфирования механической колебательной системы, а так же к изменению её резонансных характеристик. Это позволяет использовать УЗК в диагностических целях: оценка коэффициента динамичности системы по оперативно наблюдаемым параметрам вибрации характеризует качество формируемого соединения. При соответствии априори заданным значениям коэффициента динамичности управляющая система даёт сигнал на прекращение ультразвукового воздействия, в противном случае – ультразвуковые колебания удерживаются в течение соответствующего времени.

Проведенные исследования позволили разработать практические рекомендации по назначению технологических режимов ультразвуковой запрессовки зубков в шарошки буровых долот.

Результатом опытно-промышленного внедрения предложенной технологии стала изготовленная опытная партия из пяти долот на ОАО «Уралбурмаш». Твердосплавные зубки во всех долотах были запрессованы с ультразвуковыми колебаниями и оперативной вибродиагностикой, по результатам которой использовалось дополнительное ультразвуковое воздействие в течение 10 секунд для повышения адгезионной прочности закрепления.

Промысловые испытания собранных долот показали полное отсутствие выпадения зубков. Актом, утвержденным ОАО «Уралбурмаш», подтверждается повышение прочности соединения и снижение усилия запрессовки в среднем на 20 % относительно запрессовки без применения ультразвукового воздействия.


Приложения содержат протоколы экспериментов и акт о внедрении результатов диссертационной работы.

основные выводы и РЕЗУЛЬТАТЫ работы

На основании теоретико-экспериментальных исследований установлено, что с увеличением длительности ультразвукового воздействия повышается площадь фактического контакта сопрягаемых поверхностей (твердый сплав ВК10 и шарошечная сталь 14ХН3МА) на (5–15) % по сравнению с процессом без использования ультразвуковых колебаний. Разработана модель, отражающая влияние режимов ультразвукового воздействия на закономерности изменения площади контакта и адгезионной составляющей коэффициента трения между сопрягаемыми поверхностями.

Установлено, что прочность прессового соединения, формируемого с ультразвуковым воздействием и использованием явления схватывания, повышается на (10–25) %.

Экспериментальными исследованиями установлено, что при определенной длительности ультразвукового воздействия на контактирующих поверхностях появляются мостики схватывания. Разработана модель, характеризующая изменения площади мостиков схватывания при изменении времени ультразвукового воздействия.

Спроектирована и изготовлена автоматизированная установка для исследования процесса ультразвуковой запрессовки и диагностики формируемого соединения.

Модернизировано промышленное технологическое оборудование для реализации явления схватывания при ультразвуковой запрессовке твердосплавных зубков в шарошку долота (Патент № 107087).

Разработана и внедрена технологическая операция запрессовки твердосплавных зубков шарошек буровых долот с использованием ультразвуковых колебаний и явления схватывания, опытно-промышленное внедрение которой свидетельствует о снижении усилия запрессовки на 20 % и повышении прочности закрепления зубков в шарошке.   

Основные научные положения и результаты

диссертационной работы опубликованы в следующих печатных работах:

Публикации в научных изданиях, рекомендованных перечнем ВАК:

  1. Анкудинов, Д.В. Совершенствование технологии ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот путем применения режима схватывания [текст] / Д.В. Анкудинов, В.А. Папшев, В.Г. Шуваев // Сборка в машиностроении, приборостроении.– М.: Машиностроение, 2011.–№7.– С. 12–14.
  2. Анкудинов, Д.В. Методика и результаты экспериментальных исследований процесса ультразвуковой запрессовки зубков шарошечных долот с использованием автоматизированной системы научных исследований [текст] / Д.В. Анкудинов [и др.] // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. – 2011. – № 1(2). – С. 415–417.
  3. Анкудинов, Д.В. Использование ультразвуковых колебаний малой амплитуды для формирования прессовых соединений с анализом прочностных характеристик [текст] / Д.В. Анкудинов [и др.] // Вестник Самарского гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. – 2011. – №2 (30). – С. 102–110.

Патент Российской Федерации

  1. Пат. 107087 Российская Федерация, МПК В25В 21/00. Устройство для запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота / Д.В. Анкудинов, В.А. Папшев, В.Г. Шуваев; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО Самарский гос. техн. ун-т. – № 2011110993/02; заявл. 13.04.2011; опубл. 10.08.2011. Бюл. № 22. – 6 с.

Статьи и материалы конференций,

опубликованные в других научных изданиях:

  1. Анкудинов, Д.В. Моделирование запрессовки зубков шарошечных долот в программном комплексе Ansys [Текст] / В.Г. Шуваев, В.А. Папшев, Д.В. Анкудинов, О.А. Прояева // Математические модели механики, прочности и надёжности элементов конструкций. Матем. моделирование и краев. задачи: сб. трудов четвёртой Всеросс. науч. конф. с междунар. участием. – Самара, 2007. – С. 289–292.
  2. Анкудинов, Д.В. Автоматизированная система научных исследований процесса ультразвуковой сборки [Текст] / Д.В. Анкудинов // Наука. Технологии. Инновации: сб. трудов Всерос. науч. конф. – Новосибирск, 2007. – С. 2–3.

Анкудинов, Д.В. Ультразвуковая сборка деталей с использованием методов вибродиагностики [Текст] / Д.В. Анкудинов, В.А. Папшев, В.Г. Шуваев // Высокие технологии в машиностроении. Тез. докл. Всерос. науч.-техн. конф. – Самара, 2008. – С. 160–162.

Анкудинов, Д.В. Ультразвуковая сборка деталей с использованием методов вибродиагностики [Текст] / Д.В. Анкудинов // Наука. Технологии. Инновации. Всерос. науч. конф. – Новосибирск, 2008. – С. 15–16.

Анкудинов, Д.В. Перспективный метод запрессовки игольчатого подшипника при сборке крестовины карданного вала [Текст] / Д.В. Анкудинов [и др.] // Актуальные проблемы автотранспортного комплекса. Межвуз. сб. науч. ст. – Самара, 2010. – С. 63–66.

Анкудинов, Д.В. Ультразвуковая запрессовка твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота [Текст] / Д.В. Анкудинов // Студенческая наука и медицина 21 века: традиции, инновации, приоритеты: сб. трудов регион. инновационной конф. – Самара, 2010. – С. 64–65.

Анкудинов, Д.В. Автоматизированная система научных исследований процесса ультразвуковой запрессовки твердосплавных зубков в корпус шарошки бурового долота [Текст] / Д.В. Анкудинов // Будущее машиностроения России: сб. трудов XXII Междунар. Инновационно-ориентированной конф. молодых ученых и студентов (РАН, ин-т машиноведения им. А.А. Благонравова). – Москва, 2010. – С. 153.

Анкудинов, Д.В. Исследование зон взаимодействий контактной пары в процессе запрессовки [Текст] / Д.В. Анкудинов, О.М. Батищева // Компьютерные технологии в науке, практике и образовании: Труды девятой Всеросс. Межвуз. научно-практ. конф. – Самар. гос. техн. ун-т. – Самара, 2010. – С. 166–168.

Анкудинов, Д.В. Информационно – измерительный комплекс для обеспечения процесса ультразвуковой запрессовки [Текст] / Д.В. Анкудинов, В.А. Папшев, В.Г. Шуваев // Высокие технологии в машиностроении: сб. трудов Всеросс. научно-техн. конф. – Самар. гос. техн. ун-т. – Самара, 2010. – C. 184–185.

Анкудинов, Д.В. Анализ качества прессовых соединений, образованных с использованием ультразвуковых колебаний малой амплитуды [Текст] / Д.В. Анкудинов [и др.] // Надежность и качество – 2011: сб. трудов междунар. симпозиума. – Пенза: Изд-во ПГУ, 2011. – 2 т. – С. 89–90.

Анкудинов, Д.В. Методика моделирования процессов при ультразвуковой запрессовке [Текст] / Д.В. Анкудинов, О.М. Батищева // Татищевские чтения: актуальные проблемы науки и практики. Часть II: Мат. VIII Междунар. науч.-практ. конф. – Тольятти: Волжский ун-т им. В.Н. Татищева, 2011. – С. 203–207.

Анкудинов, Д.В. Применение режима микросварки при ультразвуковой запрессовке [Текст] / Д.В. Анкудинов, С.С. Савельев // МИКМУС-2011: сб. материалов XXIII Междунар. Инновационно-ориентированной конф. молодых ученых и студентов (РАН, институт машиноведения им. А.А. Благонравова). – Москва, 2011. – С. 56–57.

Анкудинов, Д.В. Экспериментальный анализ закономерностей процесса ультразвуковой запрессовки [Текст] / О.М. Батищева, Д.В. Анкудинов // Мехатроника и эргатические системы (МЭС–2011): Мат. 4 Всеросс. науч.-техн. мультиконф. по проблемам управления. Т.2. – Таганрог: Изд-во ТТИ ЮФУ, 2011. – С. 290–292.

 

 

 

 

 

 

 

Автореферат отпечатан с разрешения диссертационного совета Д 212.217.02

ФГБОУ ВПО «Самарский государственный технический университет»

(Протокол № 27 от 18.05.2012)

 

Подписано в печать 18.05.2012 г. Заказ №_____.

Печать оперативная. Усл. п.л. 1,16.

Тираж 100 экз.

 

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Самарский государственный технический университет»

Отдел типографии и оперативной полиграфии.

443100, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244

 
Авторефераты по темам  >>  Разные специальности - [часть 1]  [часть 2]



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.